CN107340080A - 基于表面测温法的针型薄膜热电偶试验验证系统及其应用 - Google Patents

基于表面测温法的针型薄膜热电偶试验验证系统及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于表面测温法的针型薄膜热电偶，以耐高温陶瓷为基体组件，选用K型热电偶(NiCr‑NiSi)，并采用射频磁控溅射技术在基体组件上制备热电偶薄膜，其热接点厚度为微米级，热容远远小于普通热电偶，能与产品表面有效贴合，迅速准确测量800℃以上的高温瞬态温度变化，测量误差小于2℃。该型薄膜热电偶主要应用于深空探测、高超声速飞行器，以及天地往返飞行器等产品表面的高温瞬态测量，也可应用于航天器的地面试验验证。

Description

基于表面测温法的针型薄膜热电偶试验验证系统及其应用
技术领域
本发明属于航天器器表高温瞬态测量技术领域，也可应用于其它高温瞬态测量技术领域，具体涉及一种用于深空探测、高超声速飞行器，以及天地往返飞行器等产品表面高温瞬态测量的针型薄膜温度测量装置。
背景技术
航天器真空热环境试验作为航天器研制过程中状态最复杂、耗资最大、耗时最长的地面试验项目，其中热平衡试验用于航天器热设计数学模型与热控系统功能的验证，热真空试验用于航天器在高低温拉偏情况下各系统功能与性能的验证。温度数据作为热试验过程中最重要的试验参数之一，其测量技术研究是航天器热试验研究的关键技术之一。目前，在航天器真空热试验中的温度测量方法主要有热电偶测温、热敏电阻测温、铂电阻测温、红外摄像测温等，上述测温传感器元件通过粘贴或埋入试件的方式，进行航天器结构及其表面温度的测量。
随着我国在深空探测、高超声速飞行器，以及天地往返飞行器等领域的高速发展，对航天器试件表面瞬态温度测量也提出了更高的要求。当航天器返回地面时，其飞行速度将达到高超音速，与大气的剧烈摩擦将使其表面温度急剧升高，需对航天器及某些结构件的表面温度进行测量，更好的反映机体表面的温度特征，保证航天器及其结构的热防护可靠设计。类似航天飞行试验器在返回大气层中因高速摩擦气动热效应，表面温度急速升高，普通热电偶因本身热容及安装方式等因素，测量结果存在明显迟滞性且测量结果有较大误差。
发明内容
为了解决上述技术问题，第一方面，本发明提供了一种基于表面测温法的针型薄膜热电偶，该型热电偶采用射频磁控溅射技术在针型高温陶瓷基体上制备K型(NiCr-NiSi)热电偶薄膜，其热电偶接点厚度为微米级，能够与航天器表面进行有效贴合，实现航天器表面的高温瞬态测量，为深空探测、高超声速飞行器，以及天地往返飞行器等领域航天器在高速飞行或地面试验过程中的表面温度监视与热分析数学模型提供数据支撑。
另一方面，本发明提供了一种用于上述针型薄膜热电偶的试验验证系统，该系统能够将薄膜热电偶输出的模拟信号转换为数字信号后通过上位计算机转换为温度值，并能够与标准热电偶测量的温度值进行对比，验证薄膜热电偶功能与性能。
再一方面，本发明提供了一种针型薄膜热电偶的应用。
本发明采用了如下的技术方案：
本发明的基于表面测温法的针型薄膜热电偶，主要由陶瓷基体、NiCr薄膜、NiSi薄膜、热接点、NiCr导线、NiSi导线、Al2O3绝缘膜和引出导线组成。
其中，基体组件考虑到热电偶需要测量800℃高温，采用Al2O3耐高温陶瓷材料加工形成，基体组件整体结构为针型，具有良好刚度特性，耐高温，热膨胀系数小，表面具有良好绝缘特性，基体长度可根据实际需要情况进行变化。
其中，热电极正负极分别选用NiCr、NiSi材料，并采用射频磁控溅射技术制备NiCr薄膜、NiSi薄膜，附着在研磨抛光过的针型陶瓷基体组件的头部端面，薄膜厚度均匀，厚度均为2μm以上，能够与被测温表面更好的接触，
具有良好得信号连通性和稳定性。
其中，热接点为两种热电偶薄膜的微小搭接区域，是薄膜热电偶的感温点所在，其直径远小于感温面的大小，厚度为微米级，热容远远小于普通热电偶，能与产品表面有效贴合，响应速度快，其时间常数可达微秒级，为使热接点足够小，热电偶响应时间更短，设计了专用档模，进行精密制作。
其中，NiCr导线和NiSi导线分别用于连接NiCr薄膜和NiSi薄膜，并通过针型陶瓷基体内的贯通圆孔，与传感器引出导线进行熔焊连接，然后与外界测量端口进行连接。
其中，Al2O3绝缘膜沉积在热电偶基体组件头部端面的薄膜及热接点上，用于防止热电偶薄膜因长时间受到摩擦、冲刷、撞击、腐蚀等原因造成脱落或断裂，对热电极薄膜提供良好的绝缘和保护作用。
本发明的用于上述针型薄膜热电偶的试验验证系统，由测控计算机、测量仪器、程控电源、红外灯阵、恒温场铜板、烧蚀材料、标准热电偶和薄膜热电偶等组成，其中薄膜热电偶的NiCr导线和NiSi导线分别用于连接NiCr薄膜和NiSi薄膜，并通过针型陶瓷基体内的贯通圆孔，与传感器引出导线进行熔焊连接，然后与外界测量端口进行连接。测试过程中，将铜板加热到所需温度(由S型标准热电偶测得)，通过测量仪器(Agilent L4411)记录对应温度下K型标准热电偶和薄膜热电偶的热电势，获取恒温场实际温度值以及薄膜热电偶的温度测量值，并通过对上述温度值的对比分析，实现对薄膜热电偶功能及性能的验证。
本发明所述的针型薄膜热电偶可应用于返回式航天器在高超音速飞行中因与大气层摩擦造成的表面温度急速变化，也可应用于航天器在地面试验中器表温度的测量，填补了国内返回式航天器器表高温测温的空白。
本发明与现有表面测温方法相比较，采用射频磁控溅射技术在陶瓷基体组件上制备NiCr-NiSi热电偶薄膜，其热接点厚度为微米级，热容远远小于普通热电偶，可与产品表面有效贴合，能够快速准确地测量航天器器表面温度的急速变化，最大测量温度可达800℃以上，响应时间常数可达μS级，测量误差小于2℃。
附图说明
图1为本发明的薄膜热电偶的整体结构示意图；
图2为本发明的薄膜热电偶的基体结构示意图；
图3为本发明的薄膜热电偶的基体头部端面镀膜示意图；
图4为本发明的薄膜热电偶的样品实物图；
图5为本发明的薄膜热电偶的试验验证系统示意图；
图6为本发明的薄膜热电偶的试验验证系统的红外灯阵结构示意图。
具体实施方式
以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。
参照图1，图1为薄膜热电偶的整体结构示意图。本发明的薄膜热电偶主要由陶瓷基体、NiCr薄膜、NiSi薄膜、热接点、NiCr导线、NiSi导线、Al2O3绝缘膜和引出导线组成，其中，基体组件采用耐高温陶瓷材料加工形成，整体具有良好刚度特性，耐高温，热膨胀系数小，表面具有良好绝缘特性；热电极材料选用K型热电偶(NiCr-NiSi)，并采用射频磁控溅射技术制备NiCr薄膜、NiSi薄膜，附着在研磨抛光过的陶瓷基体表面，薄膜厚度均匀，厚度均为2μm以上，具有良好得信号连通性和稳定性；热接点为两种热电偶薄膜的微小搭接区域，是薄膜热电偶的感温点所在，其直径远小于感温面的大小，厚度为微米级，热容远远小于普通热电偶，能与产品表面有效贴合；NiCr导线和NiSi导线分别用于连接NiCr薄膜和NiSi薄膜，并通过针型陶瓷基体内的贯通圆孔，与传感器引出导线进行熔焊连接，然后与外界测量端口进行连接；Al2O3绝缘膜沉积在热电偶薄膜上，用于防止热电偶薄膜因长时间受到摩擦、冲刷、撞击、腐蚀等原因造成脱落或断裂，对热电极薄膜提供良好的绝缘和保护作用。
图2为薄膜热电偶的基体结构示意图。基体结构分为基体头部和基体尾座两部分。在进行薄膜热电偶加工时，将基体头部端面进行研磨抛光，并采用射频磁控溅射技术在其上制备NiCr薄膜、NiSi薄膜以及热接点，并在热电偶薄膜上沉积Al2O3绝缘膜。
图3为薄膜热电偶基体头部端面镀膜示意图。在头部端面采用射频磁控溅射技术，分别在端面左右半圆面制作NiCr薄膜和NiSi薄膜，形成感温面，并将两种不同热电偶热电材料薄膜的小区域进行搭接，形成一个微米级厚度的热接点。该接点直径远小于感温面直径，厚度及质量很小，热容也远远小于普通热电偶，能够与产品表面有效贴合，因此该型热电偶热响应时间常数可小至uS级。
图4为本发明的薄膜热电偶的样品实物图。热电偶NiCr薄膜和NiSi薄膜分别与NiCr导线和NiSi导线进行连接，然后通过针型陶瓷基体的贯通圆孔，与传感器引出导线进行熔焊连接，最后引出薄膜热电偶传感器的两个输出端口。实际使用时，将引出导线通过冷端补偿点，连接至测量仪器正负极测量端子，测量得到热电偶输出的热电势，并通过分度表换算得到热电偶所测温度值。
图5为薄膜热电偶的试验验证系统示意图。该系统作为薄膜热电偶功能与性能验证设备，由测控计算机、测量仪器、程控电源、红外灯阵、恒温场铜板、烧蚀材料、标准热电偶和薄膜热电偶等组成。采用红外灯阵对大质量铜板前面进行加热，利用铜板的导热性能，将铜板的背面作恒温场，在铜板背面安装S型标准热电偶，并在标准热电偶周围安装有8支K型标准热电偶，铜板中间安装高温隔热石墨毡。在石墨毡上面安装有用于压紧石墨毡的不锈钢板，压紧不锈钢板中间开1个Φ50mm的孔用于将2支薄膜热电偶的尾端漏出来，压紧不锈钢板与安装螺钉之间用陶瓷隔热。2支薄膜热电偶穿过石墨毡与恒温铜板接触。测试过程中，将铜板加热到所需温度(由S型标准热电偶测得)，通过测量仪器(Agilent L4411)记录对应温度下K型标准热电偶和薄膜热电偶的热电势。获取恒温场实际温度值以及薄膜热电偶的温度测量值，通过对上述温度值的对比分析，实现对薄膜热电偶功能及性能的验证。
图6为薄膜热电偶试验验证系统的红外灯阵结构示意图。在灯阵上均匀排布带有反射屏的红外灯，单支红外灯管长360mm，有效长度250mm，最大加热功率480W(120V，4A)。固定板选用导热较差的不锈钢材料，为有效利用热源，减少高温对环境及红外灯的接线端子的影响，在红外灯与安装板之间以及红外灯端部与有效加热区之间加装高温隔热组件，并用不锈钢板对高温隔热组件进行支撑。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于表面测温法的针型薄膜热电偶，其特征在于，该薄膜热电偶由针型陶瓷基体组件、薄膜热接点、NiCr薄膜导线、NiSi薄膜导线、NiCr引出导线、NiSi引出导线、Al2O3绝缘膜组成，陶瓷基体组件采用Al2O3耐高温陶瓷材料加工形成，整体结构为针型且基体内具有一贯通圆孔，其中，热电极正负极分别选用NiCr、NiSi材料，并采用射频磁控溅射制备NiCr薄膜、NiSi薄膜，附着在研磨抛光过的针型陶瓷基体组件的头部端面且两者信号连通，薄膜热接点为两种热电偶薄膜的微小搭接区域，其直径远小于感温面的大小，厚度为微米级，NiCr导线和NiSi导线分别用于连接NiCr薄膜和NiSi薄膜，并通过针型陶瓷基体内的贯通圆孔与传感器引出导线进行熔焊连接，用于与外界测量端口进行连接，其中，Al2O3绝缘膜沉积在热电偶基体组件头部端面的薄膜及热接点上，用于对热电极薄膜提供良好的绝缘和保护作用。
2.如权利要求1所述的基于表面测温法的针型薄膜热电偶薄膜，其特征在于，NiCr薄膜、NiSi薄膜的厚度均为2μm以上。
3.用于权利要求1或2所述针型薄膜热电偶的试验验证系统，由测控计算机、测量仪器、程控电源、红外灯阵、恒温场铜板、烧蚀材料、标准热电偶和薄膜热电偶等组成，其特征在于，薄膜热电偶的NiCr导线和NiSi导线分别用于连接NiCr薄膜和NiSi薄膜，并通过针型陶瓷基体内的贯通圆孔，与传感器引出导线进行熔焊连接，然后与外界测量端口进行连接；测试过程中，将铜板加热到所需温度通过测量仪器记录对应温度下K型标准热电偶和薄膜热电偶的热电势，获取恒温场实际温度值以及薄膜热电偶的温度测量值，并通过对上述温度值的对比分析，实现对薄膜热电偶功能及性能的验证。
4.如权利要求3所述的试验验证系统，其特征在于，所需温度由S型标准热电偶测得。
5.如权利要求1或2所述针型薄膜热电偶的应用，其特征在于，其应用于返回式航天器在高超音速飞行中的表面温度的测量，或航天器在地面试验中器表温度的测量。
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